耙吸船匯出航道的安全距離分析

張 濤,王仕滿，張明杰

(中交天津航道局有限公司，天津 300450)

耙吸船匯出航道的安全距離分析

張 濤,王仕滿，張明杰

(中交天津航道局有限公司，天津 300450)

為進一步保障耙吸船安全匯出航道，減少因人為因素造成事故的概率，對耙吸船匯出航道船舶流的過程進行數(shù)值模擬，并以耙吸船“通程輪”為例進行計算，確定安全匯出航道所需最小距離值，通過航海模擬器驗證了最小距離值的安全有效性。

匯出；安全距離；船舶領域；耙吸船；會遇

耙吸船以其自身船舶特性，對于航道類工程，具有邊營運邊施工的特點，在保障船舶安全的基礎上，既滿足了港口經(jīng)濟的現(xiàn)實要求，又滿足了港口長期規(guī)劃發(fā)展的需求，因此在維護性、拓寬性航道類工程中，耙吸船扮演著越來越重要的角色。

對于船舶匯出航道所需安全距離的問題，很少有學者進行研究分析[1]。大部分學者給出抽象的安全匯出建議，如建議船舶匯出時應確認距離是否足夠，這個“足夠”的概念較為模糊，不易掌握。另外，近幾年，有學者基于船舶安全會遇距離的理想狀態(tài)的所需安全距離進行定量分析，為船舶大角度匯出，且駛入支航道。文中針對非大角度的船舶安全匯出至陸域或碼頭前沿進行研究，主要對耙吸船重載航行至吹填區(qū)時面臨的匯出進行安全分析，總結出安全匯出領域、時間的計算公式。以天津港30萬t級航道工程的施工船“通程輪”為算例，為耙吸船安全匯出距離測算提供參考。

1 耙吸船施工概述

耙吸船施工可視為一系列的挖泥循環(huán)，一個循環(huán)由以下幾個過程組成：下耙，裝艙，起耙，運泥到卸泥區(qū)，卸泥(卸泥區(qū)一般布置在航道外)，挖泥船輕載回航到挖泥區(qū)[2]。文中重點分析占用航道的挖泥船重載到卸泥區(qū)下線(匯出)時安全會遇船舶流的問題。

目前，船舶匯出時，一般根據(jù)航道內船舶動態(tài)決定，當船舶流影響小時，工程船接近吹填區(qū)下線；當船舶流較多時，船舶根據(jù)附近自然、交通環(huán)境，選擇合適的時機下線，條件不允許時減速、停車在航道另一側等待。對下線需要穿越他船船頭時，一般根據(jù)航海經(jīng)驗結合實際情況判斷前后船距離是否允許船舶下線。不同駕駛員航行經(jīng)驗、情境意識等個人因素不同，就會導致有不同的經(jīng)驗值，人為因素影響很大。

耙吸船航行時操縱性能與一般機動船沒有區(qū)別，此類船也裝有一般船舶配備的助航設備，如雷達、電子海圖，但這些設備不能滿足船舶動態(tài)會遇安全判定要求，因此有必要考慮對船舶動態(tài)會遇過程進行建模分析。

2 船舶流基本概念

1)匯出。即下線，進港隊列中的船舶離開港口公共航道進入碼頭泊位或者碼頭專用航道的行為稱為匯出。其中，當船舶不需要跨越航道匯出時，稱為同側匯出，見圖1；當船舶需要跨越航道匯出時，稱為異側匯出見圖2[3]。

圖1 同側匯出示意

圖2 異側匯出示意

本文主要分析異側匯出。

另外，根據(jù)船舶領域理論，如果航行中的船舶能各自維持其船舶領域，船舶的航行是相對安全的。船舶領域是一個動態(tài)的區(qū)域，它不僅與船速、通航密度和通航自然環(huán)境相關，實際上還應該與船舶的運動態(tài)勢相關。船舶在進出港口公共航道的過程中，當船舶處于不同的運動態(tài)勢時，船舶應具有不同的船舶領域。

2)船舶航行領域。對于在港口公共航道中航行的船舶，船舶在航行中為保障安全所需占據(jù)的通航水域范圍稱為船舶航行領域,見圖1。

3)橫越領域。在異側匯出情況下，船舶橫越港口公共航道中的進港隊列或者出港隊列通航水域時，船舶隊列中距離匯出點距離最近的相鄰兩艘船舶需要保證異側匯出船舶安全橫越的通航水域范圍稱為橫越領域,見圖2。

3 建立模型

對于耙吸船同側匯出，除特殊情況外，其對航道內其他船舶流影響很小，本文不展開論述。

對于耙吸船異側匯出，從安全上考慮，船舶應盡量避免橫越他船船頭，選擇合適的時機下線。下面就將異側匯出局面分三種情況進行計算分析，為船舶選擇時機提供理論參考，保障船舶安全匯出。

模型建立思路：根據(jù)匯出過程中至少保持船舶安全領域的距離，結合船舶運動特性，確定匯出過程所需時間，進而用時間反推安全匯出所需的匯出時本船與后船(目標船)距離。結合航道設計規(guī)范[4]及船舶領域藤井模型[5]，船舶領域艏艉方向取6倍船長，橫向取3倍船寬。

3.1 直航模式

異側匯出過程中，目標船出港航道航行，保持直航船態(tài)勢，保向保速，本船左轉下線，橫越目標船船頭，見圖3。

圖3 直航模式匯出示意

匯出過程時間分析。本船速度為vo，目標船速度為vt，則

so/vo=st/vt

D1=1.5Bo+1.5Bs

D2=1.5Bo+1.5Bt

st=sovt/vo

so=(D1+D2)/sinθ+mLo

S=st+socosθ

式中：o——本船；

t——目標船；

S——船舶匯出航道所需安全距離；

s——安全匯出過程中本船或目標船的航行距離；

L——船舶長度；

D——兩船軸線間距離；

D1——初始時本船與鄰船軸線間距離；

D2——本船與目標船軸線間距離；

B——船舶寬度；

Bo——本船船寬；

Bs——初始時鄰船船寬；

Bt——目標船船寬；

θ——艏向穩(wěn)定后航跡與航道夾角；

m——安全系數(shù)；

Lu——為本船船長；

mLo——本船轉向操作時間內等效的船舶沿交角θ的航行距離。

取值。安全系數(shù)m取3(根據(jù)船舶操縱性能取值)；目標船船長L為180 m，船寬B為30 m，船速為10 kn；鄰船船寬Bs為30 m；本船船長L為162 m，船寬Bo為28.5 m，船速6 kN；航道內船舶領域船長方向取6L，船寬方向取3B。

θ取值15°,30°時，代入數(shù)值計算所需安全距離分別為：3.0、2.1 km。

3.2 對遇模式

目標船位于航道右側(沿進港方向)，與本船成“對遇”局面，目標船保向保速，本船左轉下線，見圖4。

圖4 對遇模式匯出示意

本船速度vo，目標船速度vt，則

st=sovt/vo

so=D/sinθ+mLo

D=1.5Bo+1.5Bt

S=st+socosθ=sovt/vo+socosθ

θ取值15°、30°所需安全距離分別為：2.2、1.7 km。

3.3 互動模式

此模式為一般模式，本船異側匯出行為影響進出港船舶流時，應提前聯(lián)系目標船，目標船采取轉向、減速等行為，配合本船左轉下線，以利安全，見圖5。

圖5 互動模式匯出示意

so=Do/sinθo+moLo

st=Dt/sinθt+mtLt

S=[Dt/sinθt+mtLt]cosθt+ [Do/sinθo+moLo]cosθo

且Do+Dt=3Bo+1.5Bs+1.5Bt

參數(shù)含義及取值參照3.1內容。

θ均取15°時，安全距離為1.7 km；均取30°時，安全距離為1.2 km。

3.4 相關說明

匯出過程中，船舶與航道軸線成一定夾角，耙吸船中低速航行。不同尺度類型船舶的操縱性能也不同，m的系數(shù)應注意取值，港區(qū)內拋泥，小角度匯出20°～40°，以便更準確地把定管線接點，港區(qū)外拋泥一般可以大角度匯出50°～80°。

雖然文中以耙吸船為主要分析對象，但并沒有受耙吸船特有裝備影響，故模型對一般船舶匯出過程均適用。

4 模擬器驗證

模擬采取的是直航模式，模擬器船型尺度與直航模式中取值相近，船型為單車船，兩船距離3 km左右時，本船操左舵，待航向左轉近15°時，把定航向。最終兩船安全駛過時船間距約為60 m，見圖6。通過此次模擬船舶匯出，可以驗證模型的正確性。

圖6 船舶匯出模擬

5 計算結果分析及建議

由建立的三種模型可以看出，本船與目標船同時采取轉向措施可以更好地保障船舶會遇安全，并且本船轉向匯出時，在一定范圍內，轉向角度越大，船舶所需匯出橫越領域越小。耙吸船匯出時一般提前與對方船舶聯(lián)系，航道內船舶間保持聯(lián)系，協(xié)調行動；船舶匯出時還應注意航道邊界的浮標等有礙耙吸船安全匯出的助航/礙航物，以利安全。

雷達等助航設備對于相對靜態(tài)的局面分析船舶匯入安全較為合適，對于動態(tài)中狀態(tài)不適合，相比而言本文中的公式分析(整體過程模擬分析)適合于過程中不斷調整航向的局面，雷達可以用來核查穩(wěn)定后航向能否安全會遇。

考慮不利情況下，比如目標船不積極配合，本船獨自采取行動匯出航道，以此確定最低限值。即直航模式計算值為3 km，對比最低限值，“通程輪”距前船距離大于3 km時，船舶可以安全匯出。匯出過程也需要借助雷達及電子海圖核實船舶匯出安全性，并設置報警值，如果發(fā)生警報，船舶應加大匯出角度，并加車以保證足夠舵效、船舶速度，使船舶盡快匯出航道，必要時及時聯(lián)系目標船協(xié)調避讓，以策安全。

其他船舶也可根據(jù)本船特性確定參數(shù)，通過輸入?yún)R出船舶參數(shù)，得出安全距離參考值，為船舶安全匯出把關。

[1] 康與濤，朱大奇，陳偉炯.船舶避碰路徑規(guī)劃研究綜述[J].船海工程，2013，42(5)：141-145.

[2] 交通部上海航道局.疏浚工程手冊[M].上海：交通部上海航道局，1994.

[3] 劉敬賢.大型海港進港主航道通過能力及交通組織模式研究[D].武漢：武漢理工大學,2009.

[4] 交通運輸部.海港總體設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2013.

[5] 田 鑫.特定水域內船舶領域的研究[D].大連：大連海事大學,2009.

Analysis of Safety Distance about Trailing Suction Dredger Sailing off Fairway

ZHANG Tao, ZHU Xi-he, ZHANG Ming-jie

(CCCC Tianjin Dredging Co.,Ltd., Tianjin 300450, China)

In order to ensure the security of trailing suction dredger sailing off fairway and reduce the accident influence caused by the officer's human factors. The process of the trailing suction dredger sailing off the vessel traffic flow in fairway is simulated numerically. The Tongcheng vessel is taken as an example to calculate and determine the required minimum safety distance when sailing off the fairway. The minimum safety distance is also verified to be effective by the marine simulator.

sailing off; safety distance; ship area; trailing suction dredger; encounter

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.034

2014-07-09

張 濤(1984-)，男，碩士，工程師

U698

A

1671-7953(2015)01-0134-04

修回日期：2014-08-12

研究方向:交通環(huán)境與安全保障及駕駛類船員培訓

E-mail:275599142@qq.com